物理学思想能否实现新的超越

　　1900年，英国的开尔文勋爵在皇家学会的新年致辞中自负地宣称，物理学 的大厦已经完成，今后物理学家的任务只是把实验做得更精确些。但是，他并 没有料到，他眼中小小的“两朵乌云”——黑体辐射的理论解释和迈克尔逊— —莫雷实验对以太观念的冲击——引起了现代物理学翻天覆地的变化。本世纪 理论物理学中最伟大的两项成就——相对论与量子力学均与这两朵“小小的乌 云”大有干系。
　　一个世纪已经过去，当我们回顾物理学的发展历程，不得不为人类在这一 百年里的智慧成就所折服。在微观领域，我们有所谓的标准模型来解释强、弱 、电三种相互作用的本质和各种基本粒子的存在；在宏观上，建立在广义相对 论基础上的大爆炸宇宙学描绘了整个宇宙演化的图景，正在不断改变和深化人 类关于整个世界的看法。而对宇宙创生的研究则使“第一推动”这个本属于宗 教神学的问题变得理性了。斯蒂芬·霍金即因这方面的开拓性成就而受到梵蒂冈教廷的敬仰。
　　历史总有许多相似之处。当人类站在新世纪的门槛上，思考我们这个时代 的物理学，发现今天的情形竟然和一百年前如此的类似。我们有量子场论，在 探索粒子物理领域取得了巨大的成就，但理论本身并不完美：在一些计算过程 中出现了无穷大。虽然用重整化方案方可消除这些发散，然而这种技术近乎是 一种“耍赖皮”（王竹溪语）的手段，在概念上也存在不自洽之处。虽然这种 技术很有效，但物理学家相信这只是一时的权宜之计。另外，强、弱、电三种 相互作用并未得到真正的统一，标准模型也只是一个唯象的理论，其中含有十 几个可调参数、任意性太大。物理学家希望，真正的统一方案应该用一个单群 来描述三种相互作用的对称性、并且在理论中只出现一个耦合常数来描述相互 作用强度，更具体一些说，三种相互作用具有不同的强度，这只是在低能量情 况下的行为、是对称性发生破缺的结果。而在更高的能量标度上，三种相互作 用统一成为一种力，只有一个作用强度。就像是麦克斯韦方程把电力和磁力统 一成为一种电磁相互作用。物理学中的最大困难恐怕要算是广义相对论中的奇 点。霍金和彭若斯早在70年代就已经证明，经典广义相对论中的奇点是不可避 免的。在奇点处，曲率和密度无限大、一切物理规律都已失效。对于这样一种 只在数学定义中出现却威胁到物理学的东西，是不受物理学家欢迎的。人们普遍相信，考虑到引力场在微观尺度上的量子效应，奇点应该是可以避免的，就 像当年用量子论来解释黑体辐射从而避免了紫外发散一样。然而，目前基于广 义相对论的量子引力理论却是不成功的。究其原因，在于引力场本质上是弯曲 的时空背景，充当供其他物质场“表演”用的舞台；而当对它进行量子化时， 又把它作为演员来看待。同一事物充当两个互为矛盾的角色，这在哲学概念上 可以辩证地理解，但在物理理论的具体操作中却存在无法克服的困难。这显然 是一件非常糟糕的事情。
　　量子引力的困难，暗示了对通常物质场有效的量子化方案引力场已不再适 用。这就是为什么大统一理论不能纳入引力相互作用的原因，甚至于形式上的 统一也办不到。当然，问题也可能出在我们普遍接受的引力理论——广义相对 论本身。近二十年的研究表明，广义相对论和热力学之间存在密切的联系。举一个例子，关于黑洞的经典理论中，有一组定理和热力学定律很相似，而发现黑洞有热辐射则确证这些定理是真正的热力学定律。有的学者甚至从热力学推导出了广义相对论的场方程！尽管还有争议，但这一切都已经强烈地暗示广义相对论也许只是一个唯象的理论，相当于热力学的那个层次。场方程则相当于热力学中的态方程。把这个理论量子化在概念上和方向上都是错误的。因为态方程本身没有可以进行量子化的动力学变量。举个例子，气体理论的玻义耳— —玛略特定律里有两个状态参量：压强和体积，都不是动力学变量，无法进行 量子化。我们用薛定谔方程而不是玻——玛方程来研究气体分子的量子效应， 然而这种效应不会在宏观的状态参量中表现出来。
　　理论中出现无穷大总是令物理学家头痛的事情。但是，一些思想开放的人 却欢迎这种无穷大。从历史上看，量子论的诞生正是源于解决黑体辐射的紫外 发散问题。我们不禁要问：“历史是否会重演？现今物理学的困难是否预示着一场物理学革命的到来？”